碳纖維布加固混凝土柱研究綜述

程東輝，陳寶松

（東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江 哈爾濱150040）

1 加固鋼筋混凝土結構的研究背景

混凝土材料的力學性能較為穩(wěn)定，與鋼筋有效粘結后更是可以很好地發(fā)揮材料性能，鋼筋混凝土具有較好的耐火性、耐久性和整體性等，且所需材料獲取以及運送都較為便捷，這些都使得鋼筋混凝土在建筑領域得到了廣泛的運用，所以截至目前，鋼筋混凝土仍然是土木工程領域應用最廣的建筑材料。

1.1 對混凝土結構加固改造的意義

自我國經(jīng)濟高速發(fā)展而大興土木以來，人們除了對居住環(huán)境要求越來越高以外，對于建筑的安全性能的關心與日俱增。在自然和使用環(huán)境等因素的作用下，我國居民所居住或者辦公的建筑物隨著建筑物使用年限的增長，許多結構設施會在整體或局部存在承載力達不到規(guī)范要求或者即使承載力達到規(guī)范要求但其舒適度達不到居住要求的問題。針對這兩個問題，綜合我國現(xiàn)階段的質(zhì)量安全與經(jīng)濟效益等因素，許多情況下建筑物沒有全部重建的條件。因此，提升結構的承載力與使用舒適度最恰當?shù)姆椒ň褪遣扇】煽康募庸谭椒▽Y構進行加固處理。實踐證明，采用合適的加固技術對混凝土結構進行加固與補強，可以有效提高結構承載力，使結構的使用壽命得到延長，從而滿足結構使用功能的要求。加固技術在目前我國的需求越來越高，對建筑加固不僅可以節(jié)約資源而且更具有良好的社會效益[1]。

1.2 傳統(tǒng)加固方法特點

以下是幾種常用加固方法以及其優(yōu)缺點以及適用范圍[2-3]：

①加大截面法

加大截面法提高構件的承載力和剛度是通過增大結構構件的截面面積。這種方法通常對構件的抗彎、抗壓、抗剪、抗拉承載力的提高有明顯效果，在工程加固領域廣泛應用。但由于會增加構件的截面尺寸，減小其使用空間，在一些特定的工程中并不適用。

②外包鋼加固法

通過用型鋼或鋼板把被加固構件包裹住的外包鋼加固法可以有效使構件的承載能力和剛度得到提高。這種方法可以幾乎不增加構件截面尺寸而使構件的抗壓和抗彎性能提高很多，但缺點是耗用資源較多，需投入資金較大。

③改變受力體系加固法

改變受力體系加固法是通過增加支點等一系列手段改變結構受力體系。可有效使結構構件的計算跨度減小，結構構件的承載力提高，撓度和裂縫寬度也會減小。但這種方法會影響結構周圍的正常生產(chǎn)和生活和建筑布局，還會減小使用空間。

④外粘纖維復合材料加固法

近些年以來隨著纖維價格的降低，纖維復合材料（FRP）黏貼在構件外的加固法逐漸興起。因纖維材料良好的抗拉強度，在混凝土構件外粘結后可有效提高構件承載能力和剛度。在混凝土結構的抗彎、抗剪、抗扭、抗震、耐腐蝕加固中都具有良好的效果。

2 纖維復合材料加固法的發(fā)展

纖維增強復合材料經(jīng)過多年工程實踐應用和科學研究等方式證明其自身的優(yōu)勢[4-5]：輕質(zhì)量、高強度、耐腐蝕，得到了廣泛的認可和使用。FRP包括：CFRP（碳纖維）、GFRP（玻璃纖維）、AFRP（芳綸纖維）、BFRP（玄武巖纖維）。混凝土柱在FRP加固后，混凝土的側向變形明顯變小，且大幅提高了混凝土柱的極限抗壓強度和延性。

2.1 纖維復合材料的性能

2.1.1 FRP的物理性能：

FRP的密度范圍是1.25～2.1g/cm3，是鋼筋的1/6～1/4。密度低可以減輕重量，便于運輸安裝。FRP不宜在高溫結構中使用。FRP軟化的溫度稱為“格拉斯轉(zhuǎn)變溫度Tg”，主要取決于樹脂的種類，通常在65～120℃。當溫度超過Tg后，F(xiàn)RP的彈性模量將大大降低。

2.1.2 力學性能

周所周知，F(xiàn)RP的主要受力方向是與纖維主要平行的方向，也就是軸向?？估瓘姸?、抗壓強度及黏結性能是FRP的主要力學性能指標。

①抗拉強度

纖維是FRP抗拉強度的基礎，樹脂主要起到一定的輔助作用。纖維、樹脂及FRP的應力—應變曲線如上圖所示，F(xiàn)RP的應力—應變關系表現(xiàn)為線彈性關系。纖維的極限強度要高于FRP的極限強度。樹脂的極限拉應變高于FRP和纖維的極限拉應變，這說明樹脂的斷裂在纖維斷裂之后。

②抗壓強度

FRP的抗壓強度相對于抗拉強度要低。GFRP、CFRP、AFRP的抗壓強度分別是抗拉強度的55%、78%、20%。大部分情況下，F(xiàn)RP的抗壓強度與FRP的抗拉強度的關系成正比。

③黏結性能

結構的使用性能和承載力受粘結性能影響，而FRP形式、材料性能、幾何尺寸及FRP表面形狀等均可影響?zhàn)そY性能。

2.1.3 長期性能

①徐變斷裂

FRP的徐變斷裂是FRP在長期恒荷載作用下發(fā)生的突然斷裂。且FRP的耐久時間隨著荷載持續(xù)時間的增加而逐漸減少。

②疲勞性能

FRP在纖維與樹脂粘結良好的情況下具有良好的耐疲勞性能，且受外在影響較小。

③耐久性能

試驗結果表明：CFRP表現(xiàn)出良好的耐久性能；GFRP有良好的耐酸性能和凍融循環(huán)性能；AFRP也具有較好的耐久性能。

2.2 CFRP布加固混凝土結構構件研究成果

①加固材料與制品、相關設備等開發(fā)

纖維及其混雜纖維布、纖維板、纖維增強復合材料格柵、纖維增強復合材料筋、纖維增強復合材料型材及構件等纖維材料制品；預應力張拉設備、各個環(huán)節(jié)下使用的配套黏結樹脂、特殊施工工具等。

②混凝土梁、板、柱等構件以及混凝土結構的加固技術研究與應用

涉及加固構件的抗彎、抗剪、極限承載能力、黏結方式、黏結構造、錨固技術、節(jié)點加固、截面剛度等，加固后混凝土的抗彎、抗剪、承載能力、應力—應變關系、疲勞性能與抗震性能等。

③界面黏結問題的研究

提出了各種理論分析模型，如基于斷裂力學的分析模型、基于試驗數(shù)據(jù)的經(jīng)驗公式、界面強度模型以及設計公式等。

3 CFRP布以及CFRP布條加固混凝土柱的意義

無論是建筑物還是構筑物，建筑結構的承重構件中最重要的是柱結構，建筑物的可靠度與舒適度與它密切相關。鋼筋混凝土柱目前更是我國建筑物、構造物主體結構使用最多的柱結構。我國工程領域的發(fā)展逐漸從以大量新建工程為主導的第一階段向著新建工程與維修改造工程并存的第二階段過渡，所以怎樣對建筑物進行可靠的加固同時占用較少的資源，是目前科研領域重要研究課題。

CFRP布纏繞包裹約束混凝土柱可以有效提高柱的軸壓承載力。采用CFRP約束混凝土可明顯提高混凝土的抗壓強度及改善混凝土的延性。同時，對于混凝土結構加固改造工程，CFRP加固混凝土柱技術有著多方面的優(yōu)勢(高強輕質(zhì)、耐久性、施工簡易等)，CFRP加固混凝土柱這種加固方法在越來越多的實際工程中得到了應用。

采用碳纖維布進行加固改造的工程中，出于成本以及施工角度考慮，目前很多結構采用碳纖維布條形式進行加固，在很過實際工程中也采用了碳纖維布條進行改造加固的方法，并且在提高結構構件的承載力及延性等方面也得到了證明。利用碳纖維布條加固更是可以有效提高碳纖維的利用率，具有很好的經(jīng)濟效益。尤其表現(xiàn)在在施工方面，利用碳纖維布條加固的方式對施工場地以及施工空間要求很小，可有效靈活的組織施工。

4 結語

就我國當前土木工程發(fā)展前景而言，維修改造工程必然是我國建筑領域的有一個重要課題。而合理的加固方法的選擇顯得尤為重要，F(xiàn)RP加固方法具有較為明顯的優(yōu)勢。其中碳纖維布加固混凝土結構在實際工程中應用廣泛，采用碳纖維布或碳纖維布條的加固方式可高效便捷對建筑進行加固。對于實際工程而言，碳纖維布條加固方式應用較多，在科研領域針對這一問題進行較深入的研究，可以為實際工程提供較為充分的理論依據(jù)。